Bedeutet höherer dBi für eine Antenne eine weitere Reichweite?

Ich habe kürzlich dieses (lächerlich teure) Bluetooth-Modul für mein Arduino von SparkFun gekauft. Auf der Seite des Artikels steht, dass er auf 100 m getestet wurde. Ich habe SparkFun kontaktiert, um Informationen über ihr Setup zu erhalten, und sie sagten, dass sie die Reichweite von 100 m erreichen sollen, die sie mit dieser 2,2-dBi-Antenne verwendet haben .

Ich gehe davon aus, dass eine 2,2-dBi-Antenne (2,4 GHz) ähnliche Ergebnisse von 100 m liefert: Ist das richtig?

Ich habe jedoch diese 7 dBi Antenne auf dem Weg. Wenn ich das benutze, kann ich dann eine größere Reichweite erzielen als von der 2,2-dBi-Antenne?

Ja, Sie erhalten mehr Signalstärke von einer 7-dBI-Antenne als von einer 2,2dBI-Antenne (speziell 4,8 dB). Es löst dies, indem es Energie direkter ausstrahlt als eine Ideenantenne, die gleichmäßig in alle Richtungen strahlt (0 dBI).

Diese erhöhte Signalstärke von 4,8 dB beträgt 10 ^ (4,8 / 10) = 3-mal mehr Leistung. Dies erhöht Ihre Reichweite unter idealen Bedingungen um ca. 70%.

Da es gerichtet ist, müssen Sie es genauer ausrichten. Insbesondere ist die verbundene Antenne so ziemlich ein vertikaler Draht. Es strahlt in einem Kreis um die Antenne; Ihr Empfänger sollte sich nicht viel über oder unter dieser Ebene befinden.

Sie können sich Antennen vorstellen, die Ihrer Sicht ähnlich sind. 0dB würden Sie genauso betrachten wie Sie mit nichts Künstlichem.

Jetzt entscheiden Sie, dass Sie ein Fernglas verwenden möchten, um weiter zu sehen. Das Problem mit Ferngläsern ist, dass Ihr Sichtbereich nicht so groß ist wie ohne Fernglas. Ferngläser sind jedoch hilfreich. Sie ermöglichen es Ihnen, Dinge zu sehen, die Sie vorher nicht sehen konnten. Dies ähnelt beispielsweise einer 2,2-dB-Antenne.

Jetzt entscheiden Sie, dass Sie noch weiter sehen möchten, und ziehen ein Teleskop heraus. Auch hier begrenzen Sie den Betrachtungswinkel, aber es kann sich lohnen, weiter zu sehen. Dies wäre wie eine 7-dB-Antenne.

Antennen sind etwas komplexer, ihre Grundlinie wäre die Fähigkeit, gleichzeitig in alle Richtungen (oben, unten, vorwärts, rückwärts, wie Sie es nennen) gleichermaßen zu sehen. Diese Situation wird als isotrope Antenne bezeichnet. Hier kommt das 'i' in dB her und es ist unsere Basislinie.

Zurück zum Beispiel eines Fernglases und eines Teleskops: Antennen erhöhen die Komplexität aufgrund dieser vollständigen 360 * -Ansicht, mit der Sie beginnen. Sie könnten eine Antenne mit einem Muster haben, mit dem Sie immer noch vorne, hinten, links und rechts sehen können, aber nicht über oder unter Ihnen sehen können. Dieser Antennentyp kann einen Gewinn haben, da Sie oben und unten ausschneiden. Im Großen und Ganzen wäre dies immer noch eine Rundstrahlantenne, da sie immer noch eine 360 ​​* -Ansicht hat, aber nicht sehr gut direkt über oder unter der Antenne empfangen kann.

Das Grundkonzept, das ich zu überwinden versuche, ist, dass der Gewinn nicht einfach aus dem Nichts kommen kann. Sie müssen einen Teil des Antennenmusters opfern, um einen anderen Teil des Antennenmusters zu verstärken.

Also zu deiner Frage von:

Ich gehe davon aus, dass jede (2,4 GHz) 2,2dBI-Antenne ähnliche Ergebnisse von 100 m liefert

Nicht unbedingt. Grundsätzlich könnten Sie eine 2.2dBI-Antenne haben, die ein wirklich seltsames Antennenmuster aufweist, das dazu führt, dass Sie viele Nullen haben, in denen Sie eine geringe Reichweite haben würden, während andere Bereiche eine Reichweite von 100 m haben könnten. Um das wirklich herauszufinden, müssen Sie in das Datenblatt der Antennen greifen.

Es ist erwähnenswert, dass Antennenhersteller immer ihr Bestes geben werden, um zu versuchen, dass ihre Antenne besser klingt als die der Konkurrenz. Dies bedeutet, dass sie ihre Antennengewinne möglicherweise auf leicht unterschiedliche Weise messen, um die größtmögliche Anzahl zu erhalten. Mit guten Antennen können Sie die richtigen Antennenmuster erhalten.

Die vorhandenen Antworten haben sich hauptsächlich mit Ihrer Frage befasst, aber nur für die Nachwelt möchte ich einige Dinge klarstellen.

Bei dBi muss man vorsichtig sein, da dies nicht der gesamten Strahlungsleistung entspricht. Unterschiedliche Antennen können drastisch unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen.

Was dBi Ihnen sagt, ist die Spitzenverstärkung aus allen möglichen Richtungen im Vergleich zu einer perfekten Antenne, die gleichmäßig und omnidirektional (isotrop) strahlt. Sie sollten auch beachten, dass dies ein Verhältnis ist und dass es auf der logarithmischen Skala liegt, sodass 3 dB 2-mal mehr sind, während 20 dB 100-mal mehr sind (und das i in dBi isotrop bedeutet).

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass eine 2,2-dBi-Antenne in alle Richtungen einen schrecklichen Gewinn haben kann, außer auf das, worauf sie direkt gerichtet ist (eine geringe Strahlbreite) und tatsächlich weniger Gesamtleistung ausstrahlt als eine Rundstrahlantenne. *

In LOS-Umgebungen (Line-of-Sight) ist diese Spitzenverstärkung wahrscheinlich alles, was zählt, solange die Antenne tatsächlich korrekt auf die andere Antenne gerichtet ist. ** In Innenräumen und außerhalb der Sichtlinie In Sichtweite (NLOS) können Sie eine große Menge an Mehrwegemöglichkeiten erhalten, die verrückte Interferenzmuster erzeugen - das Signal wird von den Böden, Decken, Ihrem Kühlschrank, Ihrem Telefon usw. reflektiert, und je nachdem, wo Sie diese unterschiedlichen Reflexionen haben kann konstruktiv oder destruktiv hinzufügen, wodurch Sie eine drastisch andere empfangene Leistung erhalten. In diesen NLOS-Umgebungen ist der Wirkungsgrad der Antenne (Gesamtstrahlungsleistung) oft viel wichtiger als die Richtwirkung (dBi).

* Zum Beispiel würde eine perfekte 3-dBi-Antenne (2x Verstärkung) ihre gesamte Leistung in 180 Grad ausstrahlen, sowohl im Azimut als auch in der Höhe (denken Sie an eine halbe Kugel). Dies ist in der Realität niemals erreichbar, da es sich immer um eine allmähliche Änderung der Verstärkung handelt (insbesondere wenn Sie Strahlmuster betrachten, die normalerweise die 3-dB-Linie zeichnen, zeigt eine Heatmap eine allmähliche Änderung). Eine Antenne, die bei einer Strahlbreite von nur 18 Grad eine Verstärkung von 3 dBi erreicht, wird jedoch auch als 3 dBi-Antenne betrachtet, obwohl sie 1/100 der Leistung ausstrahlt (da sie im Azimut 1/10 und im Zehntel 1/10 so breit ist breit in der Höhe).

** Ohne andere Objekte / Reflexionen würde die andere Antenne nur die Leistung empfangen, die direkt auf sie abgestrahlt wurde. Es spielt also keine Rolle, wie hoch der Gewinn in einer anderen Richtung ist. In der Realität kann es jedoch auch bei Bodensprüngen zu verrückten Interferenzmustern kommen.

Letzter Gedanke: Wenn Sie sich einen Rechner für den Verlust des freien Speicherplatzes ansehen, z. B. https://www.pasternack.com/t-calculator-fspl.aspx , ergibt diese Verstärkung von 2,2 dBi eine zusätzliche Reichweite von 22 m (gleicher Pfadverlust bei) 78 m für eine 0-dBi-Antenne als 100 m für eine 2,2-dBi-Antenne). Ihre 7-dBi-Antenne würde weitere 75 m ergeben, bis zu 175 m bei gleichem Pfadverlust. Auch dies ist nur in einem idealen Freiraum (keine Reflexionen / Absorption) und einer perfekt spitzen Antenne möglich.

Sie sollten auch beachten, dass Sie mit einem zu hohen Antennengewinn gegen das Gesetz verstoßen können - die FCC begrenzt die nicht lizenzierte Übertragung im 2,4-GHz-Band auf 1 Watt EIRP (äquivalente isotrope Strahlungsleistung). In einiger Entfernung wird das Bluetooth-Protokoll wahrscheinlich tatsächlich tatsächlich ausfallen, da die Latenz aufgrund der Lichtgeschwindigkeit (ca. 1 us Hin- und Rückfahrt auf 175 m) zu Problemen führen kann (obwohl ich mit WLAN viel besser vertraut bin).

Ja Isotrop bedeutet wahr "omnidirektional". Da eine Gummiente oder Patchantenne Nullzonen aufweist, sendet sie in einigen Richtungen mehr Breitseiten zur Antenne. Dieser Gewinn in der Regel 2 ~ 3dBi ... erklärt den Verlust in andere Richtungen.

Hochgerichtete TV-Antennen und Satellitenschüsseln starten häufig im Bereich von 16 bis 24 dBi. Verstärkung und Strahlbreite der Spitzenrichtung sind Kompromisse von isotrop.

Für Sie bedeutet dies, dass sie am Rande 5 dB mehr erreichen können, was sehr groß ist und Sie in den fehlerfreien Modus versetzt. Aber wie bei einem Scheinwerfer mit schmalem Strahl bedeutet dies auch, dass Sie sich eher verlaufen, wenn Sie weit entfernt sind und die Richtung zum Router oder Mobilfunkmast nicht kennen, bis Sie Ihren RSSI überwachen oder die Signalstärkeanzeige auf dem Mobiltelefon empfangen. Für Wifi dient es jedoch einem doppelten Zweck. Sobald eine Verbindung hergestellt ist, wird in einigen Fällen, z. B. bei Apple OSX, die Baudrate und nicht die Signalstärke wiederhergestellt. Wenn Sie das Signal verlieren, müssen Sie versuchen, eine gute Verbindung aufrechtzuerhalten.

Für einen direkten idealen "störungsfreien" Punkt zu Punkt in einer klaren Standortlinie bedeutet eine Verbesserung um 5 dB, dass Sie Ihre Entfernung nahezu verdoppeln können. Dies kommt in der Stadt selten vor, daher ist die Entfernung nicht so wichtig wie die Fähigkeit, auf ein Signal zu zielen und sich von Störungen fernzuhalten.

Wenn man den Pfadverlust berechnen möchte, kann man die "Friis Transmission Equation" für den Pfadverlust verwenden. Dies berücksichtigt nicht das Grundrauschen des Empfängers, Mehrweg-Totzonen und Wegverluste durch Gebäude, Bäume, Regen usw.

Die Reichweite R ist in Metern angegeben, ebenso wie Lambda die Wellenlänge des Senders Ft und die Verstärkung für beide Antennen Gr, Gt.

Ich gehe davon aus, dass jede (2,4 GHz) 2,2dBI-Antenne ähnliche Ergebnisse von 100 m liefert

Nein, ich bin kein Experte für Antennen, aber ich habe von Richtantennen gehört. Das "i" in dBi steht für "isotrop" und bedeutet gleichmäßig in alle Richtungen strahlen. Eine solche Antenne existiert nicht wirklich, aber das theoretische Modell kann als Referenz verwendet werden. Eine 2,2-dBi-Antenne ist also 2,2 dB besser als die isotrope Antenne.

Wenn Sie sagen, dass eine 2,2-dBi-Antenne dieselbe Entfernung ergibt, wird die Richtwirkung der Antenne ignoriert. Eine Antenne mit höherer Richtwirkung erreicht die 100 m mit weniger Leistung als eine Antenne mit weniger Richtwirkung.